Vonkontsteking: het oude motorprincipe dat de sleutel kan zijn tot schone verbranding
Vonkontsteking is de manier waarop de meeste benzinemotoren een mengsel van brandstof en lucht laten ontbranden: met een kleine elektrische vonk. Denk aan een gasfornuis waarbij je met een aansteker het gas laat ontvlammen op het moment dat jij dat wilt, in plaats van te wachten tot het gas vanzelf te heet wordt en spontaan ontbrandt. Dat eerste is vonkontsteking, dat tweede lijkt op wat er in een dieselmotor gebeurt, waar de brandstof ontbrandt door de hitte van sterke samendrukking.
Het principe zelf is meer dan een eeuw oud en zit in bijna elke benzineauto die nu op straat rijdt. Toch duikt de term de laatste jaren weer op in artikelen over toekomstige technologie. Dat komt doordat ingenieurs vonkontsteking opnieuw inzetten voor motoren die draaien op waterstof of op synthetische brandstof (e-fuel), als mogelijke tussenstap of alternatief voor volledig elektrisch rijden in bijvoorbeeld vrachtwagens, bouwmachines en scheepvaart.
Wat is het precies?
In een vonkontstekingsmotor wordt eerst een mengsel van brandstof (meestal benzine, waterstof of een e-fuel) en lucht in de cilinder gebracht. Een zuiger drukt dit mengsel samen, waardoor het compacter en reactiever wordt. Op het juiste moment, vlak voordat de zuiger het hoogste punt bereikt, geeft een bougie een elektrische vonk af.
Die vonk ontsteekt het mengsel, waardoor het razendsnel verbrandt en uitzet. Die uitzetting duwt de zuiger terug naar beneden, en die beweging wordt via de krukas omgezet in de draaiende kracht die de wielen of een generator aandrijft. Dit hele proces herhaalt zich tientallen keren per seconde in elke cilinder.
Het tegenovergestelde principe is compressieontsteking, gebruikt in dieselmotoren. Daar wordt alleen lucht heel sterk samengeperst tot ze zeer heet wordt, waarna de brandstof wordt ingespoten en vanzelf ontbrandt zonder bougie. Compressieontsteking werkt goed met diesel, maar niet met waterstof of benzine, omdat die brandstoffen zich anders gedragen bij hoge druk en temperatuur. Voor motoren op waterstof of e-fuels is vonkontsteking daarom meestal de logische keuze, al wordt er ook onderzoek gedaan naar directe inspuiting van waterstof gecombineerd met vonkontsteking, wat de efficiëntie verder kan verbeteren.
Wat wil men ermee bereiken?
De achterliggende gedachte is simpel: de verbrandingsmotor als technologie wegdoen kost tijd, geld en bestaande fabrieken, terwijl elektrificatie niet overal even snel of praktisch is. Bij zware bouwmachines, langeafstandsvrachtwagens, scheepsmotoren en generatoren op afgelegen locaties is een accupakket vaak te zwaar, te duur of te traag op te laden.
Door bestaande vonkontstekingsmotoren aan te passen voor waterstof of e-fuels, kan een fabrikant relatief snel een uitstootarme of zelfs klimaatneutrale motor op de markt brengen, met kennis en fabrieken die er al staan. Waterstofverbranding stoot geen CO2 uit de brandstof zelf uit; er ontstaan vooral waterdamp en, afhankelijk van de verbrandingstemperatuur, wat stikstofoxiden. E-fuels zijn synthetische brandstoffen gemaakt met groene stroom, water en CO2, en kunnen in bestaande motoren en tankinfrastructuur gebruikt worden zonder grote aanpassingen.
Het doel is dus niet om de verbrandingsmotor voor altijd te redden, maar om een overbruggingstechnologie te bieden voor toepassingen waar batterijen of brandstofcellen voorlopig minder praktisch zijn, en om bestaande motorvloten te kunnen vergroenen zonder alles weg te gooien.
Voorbeelden uit de praktijk
BMW bouwde tussen 2005 en 2007 zo'n honderd exemplaren van de Hydrogen 7, een gewijzigde 7-serie met een V12-motor die zowel op benzine als op vloeibare waterstof kon rijden, met vonkontsteking als basisprincipe. Het project strandde vooral op het ontbreken van tankstations voor waterstof.
Toyota begon in mei 2021 met het testen van een waterstofverbrandingsmotor in een aangepaste Corolla tijdens de Super Taikyu-endurance races in Japan. Sindsdien is de auto meerdere seizoenen blijven meedoen, waarbij Toyota stapsgewijs het vermogen en de actieradius verbeterde en vanaf 2023 ook experimenteerde met vloeibare in plaats van gasvormige waterstof, om meer brandstof mee te kunnen nemen.
Het Britse bouwmachinebedrijf JCB kondigde in 2020 aan te investeren in waterstofverbrandingsmotoren voor graafmachines en ander zwaar materieel, en presenteerde in de jaren daarna werkende prototypes. JCB koos bewust voor verbranding in plaats van brandstofcellen, omdat het bedrijf dit sneller inzetbaar en robuuster acht voor de bouwplaats.
Porsche en Siemens Energy openden eind 2022 een fabriek voor synthetische e-fuel in Punta Arenas, Chili, genaamd Haru Oni. Met windenergie, water en CO2 uit de lucht wordt daar synthetische benzine gemaakt die geschikt is voor gewone vonkontstekingsmotoren, bedoeld als klimaatneutraal alternatief voor bestaande auto's en voor de racerij.
Ook motorenbouwer Deutz en het Duitse start-up Keyou werken aan het ombouwen van bestaande diesel- en industriemotoren naar vonkontsteking op waterstof, gericht op vrachtwagens, bussen en generatoren waar volledige elektrificatie voorlopig lastig is.
Hoe ver is de techniek?
Vonkontsteking zelf is volledig uitontwikkelde technologie; het nieuwe zit in de combinatie met waterstof en e-fuels. Waterstofmotoren op basis van vonkontsteking werken aantoonbaar in prototypes en testomgevingen, maar zijn nog niet in grote series op de markt.
Belangrijke obstakels zijn de beperkte beschikbaarheid van groene waterstof en tankinfrastructuur, het lastig opslaan van waterstof in voertuigen vanwege het grote volume dat het inneemt, en de hogere kosten in vergelijking met gewone diesel- of benzinemotoren. Bij e-fuels is het grootste probleem de productiecapaciteit: het maken van synthetische brandstof kost veel groene elektriciteit, waardoor de huidige productie nog klein en relatief duur is.
Sommige autofabrikanten hebben hun waterstofverbrandingsplannen inmiddels getemperd of stopgezet ten gunste van batterij-elektrische auto's, terwijl de interesse in de zwaardere transportsector en industrie juist toeneemt. Kortom: de techniek werkt, maar of ze op grote schaal doorbreekt hangt sterk af van hoe snel groene waterstof en e-fuels goedkoper en breder beschikbaar worden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van waterstofverbrandingsmotoren zijn Toyota, JCB, Cummins, Deutz en het Duitse Keyou belangrijke namen, met ondersteuning van toeleveranciers als Bosch, dat inspuitsystemen voor waterstof ontwikkelt. Onderzoeksinstituten zoals het Duitse Fraunhofer-instituut en diverse technische universiteiten in Duitsland en Japan doen fundamenteel onderzoek naar verbranding en emissies van waterstofmotoren.
Op het gebied van e-fuels lopen Porsche en Siemens Energy voorop met het Chileense Haru Oni-project, en zijn ook oliemaatschappijen en de Duitse en Chileense overheid betrokken als investeerders en beleidsmakers. Duitsland zet, mede via Europese regelgeving, relatief sterk in op e-fuels als aanvulling op elektrische mobiliteit, terwijl Japan traditioneel meer inzet op waterstof in brede zin, inclusief verbrandingsmotoren.